Renovation of Residential Building
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
ELECTRICITY GENERATION FOR OFF-GRID HOUSES IN DENMARK In collaboration with ’Project Grobund’ Andreas Mølsted & Uffe Schifter - H o l m School of Engineering and Science Department of Civil Engineering Thomas Manns Vej 23 9220 Aalborg Ø, Denmark Phone: +45 99 40 84 84 www.civil.aau.dk Title: Synopsis: Electricity generation for off-grid The subject of this project is to analyze and houses in Denmark design a solution for electricity generation for sustainable off-grid houses, that is currently Study programme: under development as a part of a larger pro- Master of Science in Technology in ject called Project Grobund. Building Energy Design The report contains the following main topics: Project: A discussion of off-grid electricity systems and Master’s Thesis possible technologies for local electricity pro- 30 ECTS credits duction. Calculations/estimations of the energy de- mands for the conceptual off-grid house. Project period: An investigation of the potential of thermoe- 01-09-2016 to 13-01-2017 lectric elements on a mass oven through la- boratory and in-field tests. Supervisors: The development of an Excel-based Off-grid Peter V. Nielsen <[email protected]> Simulation Tool (enclosed on flash drive), that Chen Zhang <[email protected]> can simulate the balance between electricity demand, production and storage for a system Report pages: 105 with photovoltaic panels, wind turbine and Appendix pages: 50 batteries. Printed copies: 3 The design of an energy system for the off- Included USB flash drives: 1 per copy grid houses in Project Grobund. An overview of Danish legislation that can af- The content of the report is free to use fect the possibilities for off-grid living, with a (with citation), but publication can only detailed discussion of the circumstances at happen after agreement with the authors. the intended location for Project Grobund. Authors: Andreas Mølsted <[email protected] > Uffe H. Schifter-Holm <[email protected]> Abstract in Danish Dette speciale beskriver en analyse- og designproces for et energisystem til et bæredygtigt off-grid hus, der er under udvikling som en del af et større projekt kaldet Project Grobund. Da en masseovn til rumvarme- og brugsvandsproduktion er en del af huskonceptets grunddesign, er specialets formål er at undersøge mulig- hederne for produktion og lagring af elektricitet, så beboernes behov er dækket. Rapporten indledes med en beskrivelse af Project Grobund og konceptet for off-grid huset, hvorefter husets energiforbrug fastlægges. Herefter præsenteres en undersøgelse af erfaringer med off-grid el-systemer samt en overordnet analyse af potentialet i forskellige teknologier til elektricitetsproduktion. Det konkluderes, at solceller og mikro-vind- møller er de teknologier, som har størst potentiale ift. kravene til systemet i Project Grobund samt at der kunne være et potentiale i termoelektriske elementer ifm. at udnytte varmeafgivelse fra masseovnen til strømproduktion. Den næste del af rapporten beskriver derfor en række laboratorie tests af termoelektriske elementer samt praktiske tests, hvor elementerne placeres på en masseovn. Analysen viser, at denne teknologi ikke er an- vendelig i forbindelse med masseovnen pga. dennes opbygning og anvendelsesmønter. Der kan dog være et potentiale for elproduktion med termoelektriske elementer, såfremt et forbrændingssystem blev designet til dette formål. Derefter beskrives en proces, hvis formål er at udvikle et Excel-baseret værktøj (kan findes på vedlagte USB- stik) som kan benyttes til at simulere elproduktion, -lagring og -forbrug i et off-grid system bestående af solceller, vindmølle og batterilager. Teorien for beregning af timebaseret elproduktion fra solceller og vind- mølle på en given lokation gennemgås, og det samlede simuleringsværktøj beskrives. Simuleringsværktøjet benyttes herefter til at designe et energisystem for off-grid huset med udgangspunkt i, at der skal være 100 % dækning af elektricitetsbehovet. Til lokationen for Project Grobund syd for Ebeltoft på Djursland anbefales et system med følgende komponenter og værdier: Et jævnstrøms-system bestående af 5 m² solcellepaneler kombineret med en 1 kW vindmølle (10 meter højde) og 10.1 kWh batterikapacitet. Systemets årlige elproduktion er beregnet til 2055 kWh. Da el-behovet er estimeret til 713 kWh, resulterer dette i en del overskydende elproduktion, som det vælges at anvende til produktion af varmt brugsvand via en elpatron. En masseovn der dækker varmebehovet på 2195 kWh (som strækker sig fra november til april) samt producerer varmt brugsvand i samme periode, da der ikke er tilstrækkeligt elektricitet til dette. En 200 liter varmtvandsbeholder til lagring af varmt brugsvand. Fra april til og med oktober dækkes hele varmtvandsbehov på 769 kWh af elektricitet. Fra november indtil starten af april dækkes 387 kWh af elektricitet og de resterende 188 kWh af masseovnen. Systemets elpris er estimeret til 8.07 DKK/kWh, som dog kan reduceres til 7.06 DKK/kWh ved at im- plementere en generator i systemet (der kan dække el-behovet i perioder med lav produktion) og reducere batterikapaciteten til 1 kWh. Herefter gives en oversigt/analyse af de lovgivningsmæssige rammer i Danmark i forbindelse med at leve off-grid samt af de konkrete bestemmelser (lokal- og kommuneplan) for området ved Ebeltoft. Rapporten afsluttes med en diskussion af processen, forslag til emner der kunne arbejdes mere med og en konklusion, som beskriver det designede off-grid system. Table of contents 1 Introduction ....................................................................................................................................................... 1 1.1 Problem Analysis – Background and Purpose ................................................................................................. 1 1.2 Problem Formulation ....................................................................................................................................... 2 1.3 Requirement Specification ............................................................................................................................... 2 1.4 Delimitation and General Assumptions ........................................................................................................... 3 1.5 Methodology .................................................................................................................................................... 3 2 Project Grobund ................................................................................................................................................. 4 2.1 Introduction ...................................................................................................................................................... 4 2.2 Conceptual Design ............................................................................................................................................ 5 3 Determination of Energy Consumption for Off-grid house .................................................................................. 7 3.1 Assumptions ..................................................................................................................................................... 7 3.2 Electricity .......................................................................................................................................................... 7 3.3 Simulation of Space Heating ............................................................................................................................ 9 3.4 Domestic Hot Water ....................................................................................................................................... 12 4 Literature Review of Stand-Alone Energy Systems ............................................................................................14 5 Overview of Electricity Generation and Storage Systems ..................................................................................17 5.1 Overview of Technologies .............................................................................................................................. 18 5.2 Energy Storage System ................................................................................................................................... 18 5.3 Photovoltaic System ....................................................................................................................................... 18 5.4 Thermoelectric Generators ............................................................................................................................ 19 5.5 Steam Engine / Turbine .................................................................................................................................. 20 5.6 Biogas Generator ............................................................................................................................................ 21 5.7 Fuel Cell Technology ....................................................................................................................................... 21 5.8 Household Wind Turbine ............................................................................................................................... 22 5.9 Micro hydropower system ............................................................................................................................. 23 5.10 Conclusion on Technology Overview ............................................................................................................